ورقة بيانات سلسلة ELM6XX - عازل ضوئي منطقي عالي السرعة 10 ميجابت/ثانية بتغليف SOP 5 أطراف

1. نظرة عامة على المنتج

تمثل سلسلة ELM6XX عائلة من العوازل الضوئية المنطقية عالية الأداء والسرعة، المصممة لتطبيقات العزل الرقمي المتطلبة. تُدمج هذه الأجهزة صمامًا ثنائيًا باعثًا للأشعة تحت الحمراء مقترنًا ضوئيًا بكاشف ضوئي متكامل عالي السرعة مع مرحلة إخراج بوابة منطقية، وتتميز بقدرة إخراج قابلة للتمكين. مُغلفة في حزمة صغيرة ملامس 5 (SOP) مدمجة، وهي تتوافق مع البصمة القياسية للصناعة، مما يسهل التكامل في التصميمات الحالية وتخطيطات لوحات الدوائر المطبوعة.

الوظيفة الأساسية لهذا المكون هي توفير عزل كهربائي بين دائرتين كهربائيتين أثناء نقل إشارات المنطق الرقمية. هذا العزل حاسم لكسر حلقات التأريض، وحماية دوائر المنطق الحساسة من الارتفاعات المفاجئة في الجهد والضوضاء الموجودة في أجزاء أخرى من النظام، وضمان السلامة في التطبيقات ذات الفولتية المشتركة العالية.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تم تصميم سلسلة ELM6XX بعدة مزايا رئيسية تجعلها مناسبة للأنظمة الإلكترونية الحديثة. تتيح قدرتها العالية على السرعة (10 ميجابت/ثانية) استخدامها في واجهات اتصال البيانات السريعة. تضمن الأجهزة الأداء عبر نطاق واسع لدرجة حرارة التشغيل من -40°C إلى +85°C، مما يضمن الموثوقية في البيئات الصناعية والسيارات. يوفر جهد عزل مرتفع يبلغ 3750 فولت_{قيمة جذر متوسط مربع}حماية قوية. علاوة على ذلك، تتوافق السلسلة مع معايير السلامة والبيئة الرئيسية، بما في ذلك كونها خالية من الهالوجين وخالية من الرصاص ومتوافقة مع RoHS، ومعتمدة من UL وcUL وVDE وSEMKO وNEMKO وDEMKO وFIMKO.

تشمل الأسواق والتطبيقات المستهدفة الرئيسية ما يلي:

• الأتمتة الصناعية:لعزل وحدات الإدخال/الإخراج PLC ومحركات الأقراص وواجهات المستشعرات عن منطق التحكم.
• الاتصالات ونقل البيانات:في مستقبلات الخط وأنظمة تعدد الإرسال للبيئات للقضاء على الضوضاء.
• الإلكترونيات القوية:كبديل موثوق لمحولات النبض في حلقات التغذية الراجعة لمصادر الطاقة ذات التبديل.
• ملحقات الكمبيوتر:للربط بين الأنظمة ذات جهود التأريض المختلفة.
• واجهة رقمية عامة:لتحويل المستوى والعزل بين عائلات المنطق مثل LSTTL وTTL وCMOS 5V.

2. تحليل مُعمّق للمعايير الفنية

يقدم هذا القسم تفسيرًا تفصيليًا وموضوعيًا للمعايير الكهربائية والأداء الرئيسية المحددة في ورقة البيانات. فهم هذه المعايير أمر بالغ الأهمية لتصميم الدائرة بشكل صحيح وضمان التشغيل الموثوق.

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد القيم القصوى المطلقة حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. هذه ليست ظروف تشغيل.

• تيار الأمام للمدخل (I_F):50 مللي أمبير. تجاوز هذا التيار من المرجح أن يدمر الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء الداخلي (IRED).
• جهد العكس للمدخل (V_R):5 فولت. الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء حساس للتحيز العكسي؛ يجب الالتزام بهذا الحد بدقة.
• جهد التغذية (V_CC) وجهد المخرج (V_O):7.0 فولت. هذا يحدد أقصى جهد يمكن تطبيقه على طاقة جانب المخرج ودبوس المخرج.
• جهد العزل (V_ISO):3750 فولت_{قيمة جذر متوسط مربع}لمدة دقيقة واحدة. هذا معيار سلامة رئيسي، يتم اختباره مع تقصير دبابيس المدخل (1،3) معًا وتقصير دبابيس المخرج (4،5،6) معًا. وهو يصدق على قوة العزل الكهربائي للحاجز العازل الداخلي.
• درجة حرارة التشغيل والتخزين:تم تصنيف الجهاز للتشغيل من -40°C إلى +85°C وللتخزين من -55°C إلى +125°C.
• درجة حرارة اللحام:260°C لمدة 10 ثوانٍ. هذا مهم لعمليات تجميع لوحات الدوائر المطبوعة باستخدام لحام إعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهربائية

تحدد هذه المعايير أداء الجهاز في ظل ظروف التشغيل العادية (T_A= -40°C إلى 85°C ما لم يُذكر خلاف ذلك).

2.2.1 خصائص المدخلات (جانب الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء)

• جهد الأمام (V_F):عادة 1.45 فولت، بحد أقصى 1.8 فولت عند I_F=10 مللي أمبير. يستخدم هذا لحساب المقاوم المحدد للتيار المطلوب على جانب المدخل.
• معامل درجة حرارة V_F:حوالي -1.9 مللي فولت/°C. ينخفض جهد الأمام قليلاً مع زيادة درجة الحرارة.
• سعة المدخل (C_IN):عادة 70 بيكو فاراد. يؤثر هذا على استجابة التردد العالي ومتطلبات القيادة لدائرة المدخل.

2.2.2 خصائص المخرجات والنقل

• تيارات التغذية: I_CCH(مخرج مرتفع) عادة 6.0 مللي أمبير، و I_CCL(مخرج منخفض) عادة 7.5 مللي أمبير مع V_CC=5.5 فولت. تحدد هذه القيم استهلاك الطاقة على جانب المخرج.
• تيار المخرج عالي المستوى (I_OH):يمكن للمخرج توفير تيار صغير جدًا (عادة 2.1 ميكرو أمبير) عندما يكون في الحالة المرتفعة. تم تصميم هذا الجهاز لقيادة مدخلات CMOS عالية المعاوقة، وليس لتوفير تيار كبير.
• جهد المخرج منخفض المستوى (V_OL):عادة 0.4 فولت، بحد أقصى 0.6 فولت عند سحب 13 مللي أمبير. هذا يحدد مستوى منطقي "0" قوي.
• تيار عتبة المدخل (I_FT):عادة 2.4 مللي أمبير، بحد أقصى 5 مللي أمبير. هذا هو الحد الأدنى لتيار المدخل المطلوب لضمان تبديل المخرج إلى حالة منخفضة صالحة (V_OL≤ 0.6 فولت) في ظل ظروف الحمل المحددة. إنه معيار حاسم لضمان مناعة الضوضاء.

2.3 خصائص التبديل

تحدد هذه المعايير الأداء الديناميكي للعازل الضوئي، ويتم قياسها في ظل الظروف القياسية (V_CC=5 فولت، I_F=7.5 مللي أمبير، C_L=15 بيكو فاراد، R_L=350 أوم).

• تأخيرات الانتشار (t_PHL, t_PLH):الوقت من نقطة 50% لانتقال تيار المدخل إلى النقطة المقابلة على انتقال جهد المخرج. t_PLH(إلى مرتفع) عادة 50 نانو ثانية، و t_PHL(إلى منخفض) عادة 41 نانو ثانية، كلاهما بحد أقصى 100 نانو ثانية. تحد هذه التأخيرات أقصى معدل بيانات.
• تشويه عرض النبضة (|t_PHL– t_PLH|):عادة 9 نانو ثانية، بحد أقصى 35 نانو ثانية. يمكن أن يؤدي عدم التماثل هذا في تأخيرات الصعود/الهبوط إلى تضييق نبضات المخرج عند الترددات العالية.
• أوقات الصعود/الهبوط (t_r, t_f):وقت صعود المخرج عادة 40 نانو ثانية، ووقت الهبوط عادة 10 نانو ثانية. الحواف الأسرع هي بشكل عام أفضل لسلامة الإشارة.
• مناعة النبضات العابرة المشتركة (CMH, CML):هذا معيار حاسم لأجهزة العزل. يقيس مناعة حالة المخرج للنبضات العابرة السريعة للجهد عبر حاجز العزل. يمكن لـ ELM601، على سبيل المثال، تحمل dV/dt بقيمة 5,000 فولت/ميكرو ثانية مع إشارة مشتركة ذروة إلى ذروة 50 فولت دون تغيير الحالة بشكل خاطئ. يوفر ELM611 مناعة أعلى (20,000 فولت/ميكرو ثانية عند 1000 فولت_{ذروة إلى ذروة}).

3. معلومات الميكانيكا والتغليف

يتم تغليف الجهاز في حزمة صغيرة ملامس 5 (SOP). تكوين الأطراف كما يلي:

• الطرف 1:أنود الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء للمدخل.
• الطرف 2:غير متصل (NC).
• الطرف 3:كاثود الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء للمدخل.
• الطرف 4:الأرضي (GND) لجانب المخرج.
• الطرف 5:جهد المخرج (V_OUT).
• الطرف 6:جهد التغذية (V_CC) لجانب المخرج.

تتضمن ورقة البيانات رسمًا تفصيليًا لأبعاد الحزمة (بالمليمترات) والذي يجب الرجوع إليه لتصميم بصمة لوحة الدوائر المطبوعة. يتم أيضًا توفير تخطيط وسادة موصى به لتجميع التركيب السطحي لضمان لحام موثوق واستقرار ميكانيكي.

4. إرشادات اللحام والتركيب

التعامل والتركيب السليمان ضروريان للموثوقية. تم تصنيف الجهاز لأقصى درجة حرارة لحام تبلغ 260°C لمدة 10 ثوانٍ، وهو ما يتوافق مع ملفات لحام إعادة التدفق الخالية من الرصاص القياسية (مثل IPC/JEDEC J-STD-020).

اعتبارات رئيسية:

• استخدم تخطيط الوسادة الموصى به لمنع الانقلاب أو سوء المحاذاة أثناء إعادة التدفق.
• الالتزام بملف درجة الحرارة المحدد لتجنب التلف الحراري للرقاقة الداخلية والحزمة البلاستيكية.
• اتبع احتياطات التفريغ الكهروستاتيكي القياسية أثناء التعامل، حيث يحتوي الجهاز على مكونات أشباه موصلات حساسة.
• قم بتخزين الأجهزة في بيئة جافة ومتحكم فيها وفقًا لتصنيف درجة حرارة التخزين (-55°C إلى +125°C).

5. معلومات التعبئة والطلب

تتوفر سلسلة ELM6XX بخيارات تعبئة مختلفة لتلبي احتياجات الإنتاج:

• الخيار القياسي (بدون):يتم توريد الأجهزة في أنابيب مضادة للكهرباء الساكنة، مع 100 وحدة لكل أنبوب.
• خيار الشريط والبكرة (TA/TB):يتم توريد الأجهزة على شريط وبكرة للتجميع الآلي بالالتقاط والوضع، مع 3000 وحدة لكل بكرة. يُشير 'TA' و'TB' على الأرجح إلى أحجام بكرات مختلفة أو مواصفات شريط.

نظام ترقيم الأجزاء:ELM6XX(Z)-V

• XX:رقم جزء محدد (00، أو 01، أو 11). هذه تميز المتغيرات، على الأرجح بناءً على تصنيفات مناعة النبضات العابرة المشتركة (مثل ELM600، ELM601، ELM611).
• Z:خيار الشريط والبكرة (TA، TB، أو بدون للأنبوب).
• V:علامة اعتماد VDE اختيارية.

6. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

6.1 دوائر التطبيق النموذجية

التطبيق الأساسي هو عزل الإشارة الرقمية. تتضمن الدائرة النموذجية مقاومًا محددًا للتيار على التوالي مع الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء للمدخل، متصلًا بإشارة منطقية. دبوس المخرج (V_OUT) متصل بـ V_CCعبر مقاوم سحب لأعلى (R_L) ويقود مدخل بوابة المنطق المستقبلة. تؤثر قيمة R_L(مثل 350 أوم) وسعة الحمل على سرعة التبديل.

6.2 ملاحظات تصميم حرجة

• تيار المدخل:تأكد من أن تيار المدخل (I_F) يلبي أو يتجاوز الحد الأقصى لتيار عتبة المدخل (I_FT) لضمان مخرج منخفض، ولكن لا يتجاوز القيمة القصوى المطلقة. عادة ما يكون I_Fتشغيل نموذجي من 7.5 مللي أمبير إلى 10 مللي أمبير شائعًا.
• مناعة الضوضاء:للبيئات الصاخبة، اختر متغيرًا (ELM601 أو ELM611) بمناعة نبضات عابرة مشتركة أعلى مناسبة لمستويات الضوضاء المتوقعة في التطبيق.
• فصل مصدر الطاقة:استخدم مكثفات تجاوز (مثل 0.1 ميكرو فاراد) بالقرب من دبابيس V_CCو GND على جانب المخرج لضمان تشغيل مستقر وتقليل ضوضاء التبديل.
• جدول الحقيقة:يعمل الجهاز كعازل غير عاكس. ينتج عن المستوى المنطقي المرتفع (H) على المدخل (الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء يعمل) مستوى منطقي منخفض (L) على المخرج. ينتج عن المستوى المنطقي المنخفض (L) على المدخل (الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء لا يعمل) مستوى منطقي مرتفع (H) على المخرج (بسبب مقاوم السحب لأعلى).

7. المقارنة الفنية والتمييز

مقارنةً بالعوازل الضوئية القياسية من سلسلة 4N25/4N35، تقدم سلسلة ELM6XX سرعة أعلى بكثير (10 ميجابت/ثانية مقابل ~100 كيلوبت/ثانية) ورفضًا مشتركًا متفوقًا. يوفر مخرج بوابة المنطق الخاص بها أشكال موجات رقمية نظيفة دون الحاجة إلى دوائر مشغل شميت إضافية غالبًا ما تكون مطلوبة مع مخارج الترانزستور الضوئي. حزمة SOP 5 أطراف أكثر إحكاما من حزم DIP القديمة. التمييز الرئيسي داخل سلسلة ELM6XX نفسها هو مناعة النبضات العابرة المشتركة المتدرجة، مما يسمح للمصممين باختيار مستوى التكلفة/الأداء المناسب لبيئة الضوضاء المحددة لديهم.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير الفنية)

س1: ما هو أقصى معدل بيانات يمكنني تحقيقه باستخدام هذا العازل الضوئي؟

ج: تسمح تأخيرات الانتشار النموذجية بمعدلات بيانات تصل إلى 10 ميجابت/ثانية كما هو محدد. ومع ذلك، سيكون الحد الأقصى الفعلي للمعدل الموثوق في النظام أقل بسبب تشويه عرض النبضة وأوقات الإعداد/الاحتفاظ لمنطق الاستقبال. قد يستهدف التصميم المحافظ 5-8 ميجابت/ثانية.

س2: كيف أختار بين ELM600 وELM601 وELM611؟

ج: يعتمد الاختيار بشكل أساسي على مناعة النبضات العابرة المشتركة المطلوبة (CMTI). استخدم ELM600 للعزل الأساسي مع ضوضاء منخفضة. ELM601 (5,000 فولت/ميكرو ثانية) مناسب لتطبيقات محركات الأقراص الصناعية ومصادر الطاقة. ELM611 (20,000 فولت/ميكرو ثانية) مخصص للبيئات عالية الضوضاء جدًا مثل العواكس عالية الطاقة.

س3: هل يمكنني استخدام هذا الجهاز لقيادة صمام ثنائي باعث للضوء أو مرحل مباشرة؟

ج: لا. تم تصميم المخرج لقيادة مدخلات منطق CMOS أو TTL عالية المعاوقة. قدرته على توفير/سحب التيار محدودة (I_OHمنخفض جدًا، I_OLمحدد عند 13 مللي أمبير). لقيادة أحمال ذات تيار أعلى، هناك حاجة إلى مرحلة عازل أو ترانزستور إضافية.

س4: ما قيمة مقاوم السحب لأعلى (R_L) التي يجب أن أستخدمها؟

ج: تحدد ورقة البيانات ظروف الاختبار مع R_L=350 أوم. هذه نقطة بداية جيدة. سيوفر المقاوم الأصغر أوقات صعود أسرع ولكنه يزيد من استهلاك الطاقة وتيار المخرج. سيحافظ المقاوم الأكبر على الطاقة ولكنه يبطئ وقت الصعود. يجب اختيار القيمة مع مراعاة سعة الحمل والسرعة المطلوبة.

9. دراسة حالة تطبيقية عملية

السيناريو: عزل UART لوحدة التحكم الدقيقة من جهاز إرسال واستقبال RS-485.

في عقدة مستشعر صناعية، تحتاج خط TX لوحدة UART لوحدة تحكم دقيقة 3.3 فولت إلى العزل عن جهاز إرسال واستقبال RS-485 5 فولت الذي يتصل بناقل لمسافات طوضاء. يمكن استخدام ELM601 لهذا الغرض. يقود دبوس وحدة التحكم الدقيقة الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء عبر مقاوم محدد للتيار (مثل (3.3 فولت - 1.45 فولت)/7.5 مللي أمبير ≈ 247 أوم). يتم تغذية جانب المخرج بواسطة خط الطاقة 5 فولت لجهاز إرسال واستقبال RS-485. دبوس V_OUT، المسحوب لأعلى إلى 5 فولت بمقاوم 350 أوم، يتصل مباشرة بدبوس إدخال السائق (DI) لرقاقة RS-485. يكسر هذا الإعداد اتصال التأريض بين وحدة التحكم الدقيقة الحساسة والناقل الصاخب، ويحمي وحدة التحكم الدقيقة من النبضات العابرة الناجمة عن الناقل، ويتعامل مع تحويل مستوى المنطق من 3.3 فولت إلى 5 فولت. تضمن مناعة CMTI العالية لـ ELM601 بقاء الإشارة الرقمية سليمة على الرغم من الضوضاء على الناقل.

10. مبدأ التشغيل

يعمل الجهاز على مبدأ التحويل الكهروضوئي. يتسبب التيار الكهربائي المطبق على جانب المدخل (الأطراف 1 و 3) في إصدار الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء (IRED) للضوء. يعبر هذا الضوء حاجز عزل شفاف داخلي (عادة فجوة بلاستيكية مصبوبة). على جانب المخرج، تستقبل دائرة متكاملة لكاشف ضوئي من السيليكون أحادي البلورة هذا الضوء. تحتوي هذه الدائرة المتكاملة على صمام ثنائي ضوئي ومضخم عالي الكسب ومرحلة إخراج بوابة منطقية (على الأرجح هيكل عمودي أو مشابه). يحول المضخم التيار الضوئي إلى جهد، تقوم مرحلة المنطق بعزله وإخراجه كإشارة رقمية نظيفة. تشير ميزة "المخرج القابل للتمكين" المذكورة على الأرجح إلى مزلاج داخلي أو وظيفة تمكين يمكنها الاحتفاظ بحالة المخرج، ولكن التفاصيل المحددة تتطلب المخطط الداخلي الكامل.

11. اتجاهات التكنولوجيا

يتجه تطور العزل الرقمي نحو سرعات أعلى، واستهلاك طاقة أقل، وحزم أصغر، وتكامل أعلى. بينما تظل العوازل الضوئية مثل ELM6XX ممتازة للعديد من التطبيقات، فإن التقنيات البديلة القائمة على الاقتران السعوي (باستخدام حواجز SiO₂) أو المقاومة المغناطيسية العملاقة (GMR) آخذة في الظهور. يمكن أن توفر هذه التقنيات معدلات بيانات أعلى (>>100 ميجابت/ثانية)، وتماثل توقيت أفضل (تشويه أقل لعرض النبضة)، وعمرًا أطول حيث لا تحتوي على صمام ثنائي باعث للضوء يتدهور. ومع ذلك، لا تزال العوازل الضوئية عالية الأداء مستخدمة على نطاق واسع بسبب موثوقيتها المثبتة، وCMTI العالية، وبساطتها، وفعاليتها من حيث التكلفة للسرعات التي تصل إلى عشرات الميجابت في الثانية. يعكس تطوير أجهزة مثل سلسلة ELM6XX، مع CMTI المتدرجة ومواد خالية من الهالوجين، التطور المستمر لتلبية متطلبات البيئة والأداء الأكثر صرامة في الإلكترونيات الحديثة.